Sol-gel法制备Pb(Zr0.53Ti0.47)O3和A/B位共掺杂Bi4Ti3O12铁电薄膜生能研究

摘要

铁电材料具有铁电性、压电性、热释电性和电光效应等性能，应用于众多领域，例如铁电存储器、微机械系统、阻尼减震、红外探测器和相阵雷达等。本文的研究工作主要包括两个方面：Pb(Zr0.53Ti0.47)O3(PZT)薄膜/环氧树脂复合材料的阻尼性能研究；新型无铅A/B位共掺杂Bi4Ti3O12(BTO)铁电薄膜的制备与研究。取得的研究成果和结论如下：
　　 利用Sol-gel法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了PZT薄膜，研究了退火温度(500～850℃)、保温时间(30-150 min)和薄膜厚度(120-630 nm)对晶相、微观结构、铁电性能以及介电性能的影响。在500℃退火处理的PZT薄膜开始形成钙钛矿相；在550℃退火处理的PZT薄膜基本形成钙钛矿相结构；升高退火温度，延长保温时间，增加薄膜厚度，都有利于PZT晶粒长大；每次涂敷的厚度大约是50-60 nm。薄膜退火温度、退火保温时间和厚度对其铁电性能和介电性能均有一定程度的影响。其中退火温度和厚度对PZT薄膜的铁电性能和介电性能影响比较明显。在750℃退火处理30 min的310 nm厚度的PZT薄膜具有较好的电学性能，剩余极化值(2Pr)和矫顽电场(2Ec)分别是72μC/cm2和158kV/cm，1 MHz时，介电常数(εr)和介电损耗(tanδ)分别为568和0.032。
　　 首次提出并制备了Sandwich结构的环氧树脂/PZT薄膜/环氧树脂复合材料，研究了PZT薄膜的退火温度、退火保温时间和厚度对PZT薄膜/环氧树脂复合材料的阻尼性能的影响。PZT薄膜的退火温度、保温时间和厚度都对PZT薄膜/环氧树脂复合材料的阻尼性能产生影响，但是保温时间对阻尼性能影响较弱，而退火温度和薄膜厚度对阻尼性能影响较大，这点与PZT薄膜的电性能变化规律基本一致。这说明对于PZT薄膜/环氧树脂基复合材料来说，PZT薄膜的电性能是影响其阻尼性能的重要因素。
　　 首次报道了Ho/Mo共掺杂BTO薄膜的铁电性能。利用Sol-gel法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了(Bi0.9Ho0.1)4-2x/3Ti3-xMoxO12铁电薄膜(BHTM-x，x=0，0.9％，1.5％，3.0％and6.0％)，研究了Mo掺杂量对BHTM-x薄膜的结构和性能的影响。所有BHTM-x薄膜都由单一的层状Aurivillius相构成，没有发现其他杂相；薄膜表现出(117)择优取向生长；随着Mo含量的增加，BHTM-x薄膜的取向几乎没有改变。BHTM-x薄膜主要由棒状的晶粒组成，即(117)取向晶粒。在x=1.5％时的BHTM薄膜具有较好的电学性能，2Pr和2Ec值分别为48.4μC/cm2和263.5 kV/cm，εr约为391(1 MHz)，优良的抗疲劳特性和较低的漏电流。
　　 首次报道了Ho/V共掺杂BTO薄膜的铁电性能。利用Sol-gel法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了(Bi0.9Ho0.1)4-x/3Ti3-xVxO12铁电薄膜(BHTV-x，x=0，0.3％，1.2％，3.0％and6.0％)，研究了V掺杂量对BHTV-x薄膜的结构和性能的影响。所有BHTV-x薄膜都由单一的层状Aurivillius相构成，没有发现其他杂相；薄膜表现出(117)择优取向生长；衍射峰(00l)，(117)和(200)的相对强度随着V含量改变而改变，说明V含量会影响薄膜的取向。BHTV-x薄膜主要由棒状的晶粒组成，即(117)取向晶粒。在x=0.3％时，BHTV-x薄膜具有较好的铁电性能，2Pr和2Ec值分别为45.4μC/cm2和257 kV/cm，优良的抗疲劳特性和较低的漏电流。